Laminær og turbulent strømning. fluidstrømningsregimer

Å studere egenskapene til væsker og gasser strømmen er meget viktig for industrien og offentlige tjenester. Den laminær og turbulent strømning virkning på vanntransporthastigheten, olje, naturgass rørledninger for forskjellige formål, påvirker andre parametre. Disse problemene gjør vitenskap hydrodynamikk.

klassifisering

I den vitenskapelige miljøet i fluidstrømningsregimer og gasser er inndelt i to meget forskjellige klasser:

• laminær (blekkskriver);
• turbulent.

Også skille overgang. Forresten er uttrykket "flytende" har en bred betydning: det kan være inkompressibel (væske faktisk er), en komprimerbar (gass), ledende, etc ...

case historie

En annen Mendelejev i 1880, ideen om eksistensen av to motsatte strømningsregimer ble uttrykt. For mer informasjon om dette problemet undersøkt den britiske fysikeren og ingeniøren Osborne Reynolds som fullførte studien i 1883. Første, praktisk talt, og deretter ved hjelp av formler er det funnet at ved en lav strømningshastighet for flytende transport blir laminær skjema: lag (partikkelstrømmen) er nesten ikke sammen og beveger seg langs parallelle baner. Imidlertid, etter å overvinne en viss kritisk verdi (for forskjellige forhold er det forskjellig), blir tittel Reynolds tall flytende strømningsforhold endret: trålen blir kaotisk vortex - dvs. turbulent. Som det viste seg er disse parameterne til en viss grad iboende og gasser.

Praktisk engelske vitenskaps beregninger viser at oppførselen av for eksempel vann, er svært avhengig av formen og dimensjonene av tanken (rør, kanaler, kapillærer, etc.), i hvilket det flyter. I rør som har et sirkulært tverrsnitt (for eksempel brukes for montering av trykket i rørsystemet), dens Reynolds tall - formelen av den kritiske tilstand er beskrevet som følger: Re = 2300. For å åpne strømningskanalen av Reynolds-tallet er forskjellig: Re = 900. For mindre verdier for Re er bestilt, på frifot - kaotisk.

laminær strømning

I motsetning til en laminær strømning turbulent er arten og retningen av vann (gass) strømmer. De beveger seg lagene uten blanding og uten pulseringer. Med andre ord tar bevegelsen sted jevnt uten uberegnelige hopp i trykkretning og hastighet.

Laminær fluidstrøm blir dannet, for eksempel i trange blodkar i levende organismer, planter kapillærer og under sammenlignbare betingelser, ved en strøm av meget viskøse væsker (brenselolje gjennom rørledningen). For å visualisere strålen er tilstrekkelig til å avdekke et lite trykk - vann vil strømme rolig, jevnt, uten blanding. Hvis skru spiss til slutt, vil systemtrykket stiger og flyten blir kaotisk.

turbulent strømning

I motsetning til en laminær, karakterisert ved at nabo partikler beveger seg langs i det vesentlige parallelle baner, en turbulent strøm av væske er uordnet natur. Hvis vi bruker Lagrange tilnærming, kan de baner av partiklene vilkårlig lapper og oppfører seg helt uforutsigbart. Bevegelse av væsker og gasser under disse betingelser alltid er forbigående, med disse parametrene nonstationarities kan ha et meget bredt område.

Som det laminære gass-strømmen inn i turbulent styring skrider frem, kan bli overvåket av de eksempel tuster røyken fra en brennende sigarett i stillestående luft. Til å begynne med, partiklene beveger seg nesten parallelle baner uforandret i tid. Røyk synes fikset. Så på et tidspunkt plutselig er det store virvler som beveger seg helt tilfeldig. Disse virvlene bryte opp i små - i enda mindre og så videre. Til slutt, nesten røyke blander seg med luften rundt.

turbulens sykluser

Eksempelet over er en lærebok, og fra hans observasjoner forskere har gjort følgende konklusjoner:

1. Laminær og turbulent strømning er sannsynlighets i naturen: overgangen fra en modus til en annen er ikke i nøyaktig riktig sted, og i en ganske tilfeldig, tilfeldig sted.
2. Først er det store virvler som er større enn størrelsen på wisps av røyk. Bevegelse blir ustø og sterkt anisotropisk. Store strømmer blir ustabile og brytes opp i mindre og mindre. Det er således et hierarki av virvler. Energien av bevegelsen overføres fra store til små, og ved slutten av denne prosessen forsvinner - energidissipasjon opptrer ved små skjell.
3. Turbulent strømning er uberegnelig: en bestemt vortex kan være i en helt tilfeldig, uforutsigbart sted.
4. Blande røyk med uteluft ikke skje under laminær, og i turbulent - er svært intensiv.
5. Til tross for det faktum at grensebetingelsene er stasjonære, turbulensen i seg selv har en utpreget forbigående av natur - alle gassdynamiske parametre endres over tid.

Det er en annen viktig egenskap ved turbulens: det er alltid tredimensjonalt. Selv om vi anser en-dimensjonal strømning i røret eller to-dimensjonalt grensesjikt fortsatt bevegelse av turbulente virvler forekomme i retning av de tre koordinataksene.

Reynolds tall: med formelen

Overgangen fra laminær til turbulens karakterisert ved den såkalte kritiske Reynoldstall:

_{Re cr = (ρuL / μ)} cr,

hvor ρ - tetthet strøm, u - strømningshastighet karakteristikk; L - strømningskarakteristikken størrelse, μ - koeffisienten av dynamiske viskositet, cr - for ved et rør med et sirkulært tverrsnitt.

For eksempel, for en strømningshastighet u med i røret l blir brukt som rørets diameter. Osborne Reynolds viste at i dette tilfellet 2300 cr <20 000. Spredningen er veldig stor, nesten en størrelsesorden.

Et lignende resultat blir oppnådd i grensesjiktet på skiven. Den karakteristiske størrelse blir tatt etter hvert som avstanden fra den fremre kant av platen, og deretter 3 x ¹⁰ mai cr <4 x ¹⁰ april. Hvis L er definert som tykkelsen av grensesjiktet, 2700 cr <9,000. Det er eksperimentelle studier som har vist at verdien av Re _cr kan være enda større.

Begrepet hastighet perturbasjon

Den laminær og turbulent strømning, og følgelig den kritiske verdi for Reynolds tall (Re) avhenger av en lang rekke faktorer. Fra trykkgradienten, høyden av støt ruhet, turbulensintensitet i den eksterne strømnings, differansetemperatur, etc. For enkelhets skyld er disse samlede faktorer kalt perturbasjon hastighet siden de har en viss innvirkning på strømningshastigheten. Hvis denne forstyrrelse er liten, kan det bli avgjort viskøse krefter som søker å justere hastighetsfeltet. For store forstyrrelser av flyten kan bli ustabil, oppstår og turbulens.

Gitt at den fysiske betydningen av Reynolds-tallet - forholdet mellom treghetskrefter og viskøse krefter, strømmer bitterhet som omfattes av formelen:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ x (U / L )).

Telleren er det dobbelte av hastigheten hode og nevneren - verdien er av størrelsesorden friksjons stress, hvis L er tatt som tykkelsen av grenselaget. Dynamisk trykk har en tendens til å ødelegge balansen og friksjonskreftene som motsetter seg denne. Det er imidlertid uklart hvorfor treghetskreftene (eller dynamiske trykk) føre til endringer bare når de er 1000 ganger mer viskøse krefter.

Beregninger og fakta

Sannsynligvis, mer bekvemt brukes som en karakteristisk hastighet Re _CR ikke absolutte strømningshastighet u, og hastigheten forstyrrelse. I dette tilfellet vil det kritiske Reynolds tall være omtrent 10, dvs. ved overskridelse av den dynamiske trykkforstyrrelsesspenninger viskøse enn 5 ganger den laminære strømningen inn i en turbulent fluidstrømmer. Denne definisjonen Re ifølge enkelte forskere er godt forklart av de følgende eksperimentelt bevist fakta.

For en fullstendig jevn hastighetsprofil på en perfekt glatt overflate er tradisjonelt bestemmes av antallet Re _cr tendens til uendelig, det vil si den overgang skjer faktisk turbulens. Her Reynoldstallet bestemmes av størrelsen av den forstyrrelse hastighet under den kritiske verdi, som er lik 10.

I nærvær av kunstige turbulens og forårsaker sprut hastighet kan sammenlignes med den grunnleggende hastighet, blir strømningen turbulens ved mye lavere Reynolds-tall enn Re _cr, bestemt fra absoluttverdien av hastigheten. Dette tillater bruk av koeffisienten Re _cr = 10, hvor den karakteristiske hastighet er den absolutte verdien for hastighets forstyrrelse som forårsakes av de ovennevnte grunner.

Stabilisering av det laminære strømningsregime i rørledningen

Den laminær og turbulent strømning er felles for alle typer væsker og gasser under ulike forhold. Den laminære natur av strømnings er sjeldne, og kjennetegnes, for eksempel, for smale underjordiske bekker letter. Mye mer, er denne utgaven av bekymring for forskere i sammenheng med praktisk anvendelse for transport i rørledning vann, olje, gass og andre fluider.

Q laminær strømningsstabilitet er nært knyttet til studien forstyrret bevegelse av hovedstrømmen. Det ble funnet å være påvirket av de såkalte små forstyrrelser. Avhengig av om de vokser eller visne bort over tid, er den grunnleggende flyten anses å være stabil eller ustabil.

For komprimerbare og ikke kompressible fluider

En av de faktorer som innvirker på laminær og turbulent fluidstrøm er dens kompressibilitet. Denne væsken egenskapen er spesielt viktig i studiet av stabiliteten til ikke-stasjonære prosesser med hurtige endringer i primærstrømmen.

Undersøkelser tyder på at laminær strømning av et inkompressibelt fluidum i rørene i den sylindriske delen er resistent overfor forholdsvis små aksesymmetriske og ikke-aksesymmetriske forstyrrelser i tid og rom.

Nylig er beregninger utført på innvirkningen av forstyrrelser på aksesymmetrisk strømningsmotstanden i innløpspartiet av det sylindriske rør, hvor hovedstrømmen er avhengig av de to koordinater. Koordinatsystemet røraksen er regnet som den parameter som påvirker den hastighetsprofilen langs radien av hovedstrømningsrøret.

konklusjon

Til tross for århundrer med studien, kan vi ikke si at laminær og turbulent strømning er grundig undersøkt. Eksperimentelle studier på mikronivå, reiser nye problemstillinger som krever en begrunnet beregning begrunnelse. Naturen av forskningen er programmet og bruk: verdens tusenvis av kilometer med vann, olje, gass og produkt. Jo lengre innført tekniske løsninger for reduksjon av turbulens under transport, jo mer effektivt vil det være.